Meta高分文章，只需两组大鼠？

Original: 张义华大科技BGITech 2019-05-10

6月14日，由香港浸会大学、纽约州立大学布法罗分校和华大基因成立的联合团队在《Microbiome》上发表了一篇高水平meta研究文章。不同于以往基于大量临床样本的meta研究，该文章仅以两组大鼠为研究对象，对一个已知与肠道微生物密切相关的疾病——胃肠功能紊乱展开研究，就发表了影响因子高达8.5分的文章。这是怎么做到的呢？

研究背景

胃肠功能紊乱是患有功能性胃肠病和其他肠道疾病的患者常见的一种主要症状，慢性或反复发作的胃肠运动障碍严重影响患者的生活质量。目前对胃肠功能紊乱的发病机制研究并不完善，这限制了胃肠功能紊乱的个体化治疗和药物研发。

前期研究表明肠道菌群在胃肠运动紊乱中起关键作用，但肠道菌群与宿主胃肠道运动相互作用及其作用机制尚不明确。

新生儿母亲分离（NMS）的啮齿动物模型是一个成熟的长期结肠功能障碍模型，主要表现是结肠动力增强。有研究表明小鼠和大鼠在受NMS处理后会出现肠道微生物紊乱，而NMS模型中肠道菌群变化与胃肠动力增强的关系仍有待进一步研究。

说到这，科技君给大家出个考题吧，看看您设计的方案能拿几分。

题目：

请以大鼠NMS模型（对照组/NMS组，n=8/组）为研究对象设计方案，研究肠道菌群在胃肠功能紊乱中的作用，并深入挖掘其作用机制。

在标准答案揭晓之前，科技君先提供几种常见的方案供大家参考：

方案一：16S测序研究

研究对象：NMS大鼠模型（对照组/NMS组，n=8/组）

样本类型：粪便样本

研究方法：16S测序

预期结果：

1. 物种注释：NMS组Bacteroides, Blautia和Parabacteroides丰度下降，Prevotella, Lactobacillus, Alistipes和Ruminiclostridum丰度大幅上升。

2. 功能预测：NMS组脂肪酸合成和延伸功能可能增强；

预期结论：NMS模型胃肠动力增强可能与肠道菌群结构改变相关，后者可能会造成长链饱和脂肪酸（SLCFA）合成增加。

方案评估：成本低，可方便快速得到肠道菌群和疾病的相关性；但功能预测结果不可靠，无法评估肠道菌群和疾病的因果关系。

方案应用：初步研究研究肠道菌群与疾病的相关性

综合评分：3

方案二：宏基因组学研究

研究对象：NMS大鼠模型（对照组/NMS组，n=8/组）

样本类型：粪便样本

研究方法：宏基因组

预期结果：

1. 物种注释：NMS组Bacteroides, Blautia和Parabacteroides丰度下降，Prevotella, Lactobacillus, Alistipes和Ruminiclostridum丰度大幅上升；

2. 基因/功能注释：NMS组脂肪酸合成和延伸功能增强，脂肪酸合成酶相关gene丰度增加，降解酶相关gene丰度下降；

预期结论：NMS模型胃肠动力增强可能与肠道菌群结构及基因丰度改变相关，后者可能会造成长链饱和脂肪酸（SLCFA）合成增加。

方案评估：可方便快速得到肠道菌群和疾病的相关性，成本稍高；无法评估肠道菌群和疾病的因果关系。

方案应用：可用于研究肠道菌群与疾病的相关性，并预测菌群的作用机制。

综合评分：5

方案三：

多组学研究（宏基因组+代谢组）

研究对象：NMS大鼠模型（对照组/NMS组，n=8/组）

样本类型：粪便样本、肠道内容物

研究方法：宏基因组、代谢组

预期结果：

1. 代谢分析：NMS组结肠SLCFA含量增加；

2. 物种注释：NMS组Bacteroides, Blautia和Parabacteroides丰度下降，Prevotella, Lactobacillus, Alistipes和Ruminiclostridum丰度大幅上升。

3. 基因/功能注释：NMS组脂肪酸合成和延伸功能增强，脂肪酸合成酶相关gene丰度增加，降解酶相关gene丰度下降；

4. 关联分析：SLCFA的增加Prevotella, Lactobacillus和Alistipes丰度上升相关；

预期结论：NMS模型胃肠动力增强可能与肠道菌群结构及基因丰度改变相关，后者可能会造成SLCFA合成增加。

方案评估：多组学数据相互验证结果更可靠，成本稍高；但依然无法确定肠道菌群和疾病的因果关系。

方案应用：可用于研究肠道菌群与疾病的相关性，并预测菌群的作用机制；

综合评分：7

以上三个是目前常用的肠道菌群研究方案。三种方案各有所长，适用于不同的研究目的。然而对于作者的研究目的来说，由于样本量偏少，分组单一（只有对照组/实验组），缺乏结果验证，只能研究肠道菌群和疾病的相关性，无法进一步确定肠道菌群和疾病的因果关系及作用机制（如图1）。

图1 NMS模型大鼠肠道代谢水平、胃肠动力和肠道菌群变化示意图。NMS大鼠肠道菌群胃肠动力增强，SLCFA含量增加，Prevotella, Lactobacillus和Alistipes丰度上升；SLCFA含量增加与Prevotella, Lactobacillus和Alistipes丰度上升相关。

那么作者又是如何设计方案的呢？下面揭晓答案↓↓↓

标准答案：多组学+实验验证

研究对象：NMS大鼠模型（对照组/NMS组，n=8/组）

样本类型：粪便样本、肠道内容物

组学研究：宏基因组、16S、代谢组

实验验证：

1. 代谢物对胃肠动力的影响（体内/体外）；

2. NMS组抗生素治疗；

3. 伪无菌大鼠粪菌移植模型（对照粪菌移植组/NMS粪菌移植组，n=6/组）；

研究结果：

1. 代谢组：NMS组结肠SLCFA含量增加；

2. SLCFA功能验证：SLCFA可引起结肠动力增强，该作用呈剂量依赖性；

3. 基因/功能注释：NMS组脂肪酸合成和延伸功能增强，脂肪酸合成酶相关gene丰度增加，降解酶相关gene丰度下降；

4. 关联分析：SLCFA的增加与Prevotella, Lactobacillus和Alistipes丰度上升相关；

5. 粪菌移植实验：NMS大鼠的肠道菌群可增加结肠内SLCFA含量，并增强胃肠动力；

6. 抗生素处理：抗生素调节NMS肠道菌群紊乱，可降低SLCFA含量及胃肠动力；

结论：肠道菌群失调可导致胃肠功能紊乱：Prevotella, Lactobacillus和Alistipes丰度上升会引起结肠内长链饱和脂肪酸（SLCFA）含量增加，后者可直接引起结肠运动加速，出现胃肠功能紊乱症状；通过抗生素调节肠道菌群失调可缓解胃肠功能紊乱症状。

方案亮点：

1. 通过无菌动物模型和药物处理验证肠道菌群的作用：在伪无菌大鼠实验中，接受了NMS组大鼠肠道菌群的大鼠SLCFA含量增加及胃肠动力增强；经过抗生素处理后NMS组大鼠肠道菌群恢复正常水平时，SLCFA含量及胃肠动力也趋于正常。从两个不同的方向证明了肠道菌群变化可调节代谢水平和胃肠动力，揭示肠道菌群和疾病间的因果关系。

2. 通过体内/体外实验验证代谢物的作用：通过体外器官浴实验和大鼠口服SLCFA处理，发现代谢物SLCFA可以直接影响胃肠动力，增加结果可靠性。

方案应用：肠道菌群与疾病的相关性、因果关系、作用机制研究；

综合评分：10

该方案不仅研究了肠道菌群和疾病的相关性，进一步证明了肠道菌群的改变对胃肠动力的影响及其作用机制，以及代谢物SLCFA对胃肠动力的作用；完善了胃肠功能紊乱的发病机制研究（如图2），为通过干预肠道菌群治疗胃肠功能紊乱提供了实验依据。

图2 NMS模型肠道菌群对胃肠动力作用示意图。NMS大鼠肠道菌群中Prevotella, Lactobacillus和Alistipes丰度上升会引起结肠内SLCFA含量增加，后者可直接引起结肠动力增强，出现胃肠功能紊乱症状。通过抗生素调节肠道菌群失调可缓解胃肠功能紊乱症状。

看了这么多方案，对您是否有什么启发呢？有任何疑问欢迎在下方留言给科技君哦。

该文章由香港浸会大学、纽约州立大学布法罗分校和华大基因团队联合完成。香港浸会大学卞兆祥教授、纽约州立大学布法罗分校朱立新教授为通讯作者；香港浸会大学赵玲、卢林和华大基因高级信息分析工程师黄玉芬为共同第一作者。

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撰稿：张义

编辑：市场部